Interconnectivité

Il s’agit de notre univers à l’âge de 380 000 ans, sa prime jeunesse, la première image vraiment fine saisie de lui par le satellite européen PLANCK en 2010, beaucoup plus précise que celles de ses deux prédécesseurs états-uniens, COBE et WMAP, mais la technique s’était améliorée entre-temps, un entre-temps très court il est vrai. On l’appelle le fond diffus cosmologique, ou le fond cosmique micro-ondes, le CMB [1], ou la surface de dernière diffusion, ou bien encore le rayonnement fossile, celui du « Big Bang ». Cette image montre la première lumière et témoigne du premier souffle de cet univers. En fait on l’a entendu ce souffle avant de voir l’image. On a ainsi remonté le temps de près de 13,4 milliards d’années, années-lumière s’entend.

Sa découverte constitue l’un des plus beaux cas de sérendipité de toute l’histoire des sciences. Quand on travaille âprement sur quelque chose, que l’on recherche frénétiquement quelque chose, et que l’on trouve tout à fait fortuitement autre chose, un absolu inattendu, on parle de « sérendipité ». Au début des années 1960, des physiciens des laboratoires Bell, Penzias et Wilson, avaient fabriqué une antenne en forme de grand cornet, une oreille à l’écoute de l’espace, pour pousser plus avant leurs investigations sur les ondes radio afin de parfaire les communications ainsi que les transmissions satellitaires [2]. Ce qu’ils captèrent alors c’est un bruit étrange et persistant venant de toutes les directions de l’espace. En rapprochant leur « découverte » des travaux d’autres équipes de scientifiques et de spéculations bien antérieures ils comprirent qu’ils avaient tendu leur grande oreille/cornet vers le fameux « fossile ». Plus tard des satellites ont été envoyés pour repérer la source de ce bruit étrange et enfin pour l’imager et la cartographier dans le détail. En fait le film de la création parait accuser une désynchronisation entre l’image et le son. Le bruit capté n’est pas l’énorme « bang ! », ou le gros « boum ! », d’une formidable explosion démultipliée par Écho, mais plutôt un long souffle discret et continu comme celui émis quand on gonfle une baudruche, pour faire se dilater un ballon incommensurable à l’enveloppe très fine, souffle inaudible pour qui n’est pas doté d’une volumineuse oreille telle que celle de Penzias et Wilson.

Que voit-on en définitive ? Un objet elliptique tavelé, comme une grosse olive piquetée de couleurs, ou bien une mère intérieure lumineuse (mais intérieure de quoi ?) qui serait agitée de faibles vaguelettes électromagnétiques, la carte d’un univers primordial marbrée mais faussée tant dans la forme que dans les proportions de ses constituants puisqu’en fait d’ellipsoïde c’est d’une sphère dont il s’agit, sphère qui nous enveloppe. Par conséquent, PLANCK, davantage qu’une simple photographie, a réalisé un planisphère permettant une approche de l’intégralité de la structure de cet univers primordial et par là de la distribution de la matière dans celui-ci !

Pourquoi n’y a-t-il pas d’image avant 380 000 ans ? Parce qu’on ne peut strictement rien voir ! La formation des baryons, c’est-à-dire les protons et neutrons constitutifs des noyaux atomiques, a été opérée depuis longtemps déjà, mais les particules excitées par la température encore extrêmement élevée se percutent sans cesse empêchant ainsi les atomes de se constituer.
Les photons repoussent la matière qui a tendance à s’agréger. Il faut attendre que la température chute de façon drastique sous l’effet de l’expansion de l’univers pour que les électrons orbitent autour des noyaux atomiques, « recombinaison », et que les photons s’échappent, et ça 380 000 ans après le gros « Bang ». L’image apparait enfin mais pas pour longtemps. L’univers va tomber ensuite dans un âge sombre pour quelques dizaines de millions d’années et on ne verra plus rien jusqu’à ce que les étoiles soient formées et rayonnent pour éclairer définitivement le paysage. « Fiat lux ! ».

Tout ceci parait fort éloigné de l’œuf ardent du « Scivias » [3] enluminé par Hildegarde von Bingen, peut-être inspiré de l’œuf de Brahma sorti du nombril d’un Vishnou assoupi faisant la planche sur un océan idéel, et encore plus des polyèdres cerclés de Kepler, le père de l’ellipse, mais pourtant c’est bien d’un œuf bouillonnant dont il s’agit et de musique aussi, non pas « l’Harmonie des sphères » de Kepler [4] mais celle de LA sphère, produite par les collisions de particules, photons et électrons, et de noyaux atomiques, le fameux son auquel il a été donné le nom quelque peu barbare « d’oscillations acoustiques baryoniques » et qui a imprimé son passage, comme une onde figée, dans l’ossature même du Cosmos.

Car le Cosmos, le Tout, l’Univers adulte, a bien un squelette qui est déjà inscrit dans l’univers primordial, le CMB, l’Univers enfant, squelette que l’on appelle couramment la « toile cosmique ». Celui-ci est fait de poches de vides délimitées par des murs, et puis des filaments et des nœuds. Le CMB présente une infinité de taches, comme une Sainte Face grêlée de rousseur puisque pour les théologiens médiévaux, a commencé par Saint-Augustin, l’Univers est la manifestation de Dieu à tel point que les deux sont confondus. Ces taches témoignent d’infimes variations de température, de l’ordre de 10-5 par rapport à la température moyenne de l’Univers, 0,01% en plus ou en moins ce qui n’est pas beaucoup, correspondant aussi a d’infimes variations de densité de la matière. Autrement dit, les variations de température sont des signatures directes de la distribution de matière. On parle « d’anisotropies » que l’on va décomposer en « harmoniques sphériques » c’est-à-dire en différentes tailles, depuis les échelles petites aux échelles les plus grandes. Les grandes échelles renseignent sur la géométrie de l’Univers et les petites sur l’interaction entre les composants, matière ordinaire, matière noire, énergie noire etc. On va comparer cette décomposition à des modèles théoriques, et on va ajuster ces derniers aux observations. C’est là un jeu avec des milliers de paramètres et de hautes mathématiques. Les scientifiques appellent ça faire de « l’inférence bayésienne ». Pour faire très simple, à partir des premières observations on construit des modèles numériques et puis on fait de nouvelles observations et on ajuste les modèles à celles-ci et ainsi de suite. C’est comme ceci que la Connaissance se construit en Science.
Il faut comprendre que le squelette, la toile cosmique, est déjà inscrit en son entier dans l’univers primordial, le CMB, y compris son secteur obscur c’est-à-dire la matière noire et l’énergie noire.

Le moteur de l’évolution de l’Univers, et donc de son squelette, c’est la gravité. C’est elle qui enfle les infimes variations de matière, par agglutination ou fusion, à une échelle macroscopique. Quand on parle matière c’est de gaz dont il s’agit, et principalement d’hydrogène. Mais la gravité qui attire la matière et qui l’agglutine est toujours en compétition avec l’expansion produit de l’énergie noire qui allonge les objets, à petite échelle.
Yakov Zeldovich a expliqué que la tache qui est l’anisotropie initiale, un objet à trois dimensions, trois axes de développement possibles, commence à s’aplatir sur son axe vertical sous l’effet de la gravité, ce qui forme un mur, puis s’étire sur son axe horizontal sous l’effet de l’expansion, ce qui forme un filament. C’est ce qu’on appelle « les pancakes ou crêpes de Zeldovich ». Et puis, si l’objet est suffisamment gros, la gravité reprend le dessus et le fait s’effondrer sur lui-même, sous tous les axes, ce qui forme un nœud ou bien un « halo » de matière noire.

Le travail de Thomas Müller est traversé par des particules qui ponctuent et perforent le plan, des vibrations perturbatrices et de « silencieuses » ondes sonores qui se propagent, des lignes plus ou moins épaisses qui se tortillent en tous sens et qui rayent l’espace, souvent de véritables griffures du papier ou de la toile, des aplats de couleurs totalement instables, des masses de matière, des énormes dégoulinures, qui paraissent dériver de façon aléatoire mais qui se rapprochent inexorablement les unes des autres et qui finissent par fusionner pour former comme un rideau baroque, plissé, froissé, tourmenté par des forces obscures qui pourraient le mener au bord de l’effondrement, et parfois de considérables explosions bien que sourdes. Le travail de Thomas Müller est une superbe traduction abstraite du bestiaire cosmique, du grand livre d’images qu’est l’Univers.

Bond, Kofman et Pagosian, eux, se représentent les choses comme un paysage montagneux avec des sommets qui sont reliés entre eux par des lignes de crête. Les sommets sont les « pics » de matière, les nœuds, qui vont avoir tendance à s’allonger les uns vers les autres ce qui va créer des « ponts de corrélation », les lignes de crête qui sont les filaments de la toile cosmique.
Les « pics », points de plus forte densité de l’Univers primordial, même minuscules, vont amasser de la matière pour constituer les grands amas de galaxies qui peuvent être vus aujourd’hui, et tout, absolument tout, est constitué de façon hiérarchique et finira interconnecté.
Déjà il faut souligner que « toile cosmique », qui renvoie à une toile d’araignée géante ou à la toile de fond d’un décor de théâtre, n’est pas un terme approprié parce que l’Univers n’est pas un plan mais un volume. Une mousse extrêmement épaisse ou une énorme éponge paraitraient plus indiquées.

Comme il a été dit ailleurs à propos des paires particules/antiparticules virtuelles, le vide et ses poches ne sont jamais vides [5]. Dans ce cas précis, le vide n’est pas empli d’une simple énergie, « l’énergie du point zéro », mais de gaz qui va imprégner les murs qui l’enveloppent, murs qui vont suinter et alimenter en continu les filaments qui, eux, vont couler comme des rivières « tranquilles » jusqu’aux nœuds. C’est dans les filaments que vont naître et se développer les galaxies et donc leurs étoiles, et ce sont eux les filaments, rivières de gaz fluide, qui vont entrainer les galaxies dans les nœuds où elles vont se peletonner et former des amas, voire des superamas, mais en perdant leur fécondité, en ne produisant plus d’étoiles.
L’essentiel de la matière se trouve donc dans les filaments en tant que gaz mais aussi en tant que « halos », c’est-à-dire des « choses » plus denses, lieux de formation des galaxies, baignant dans le gaz diffus des filaments, mais les halos ce sont du gaz quand même...avec énormément de matière noire. Un filament quand il se forme va créer de la « vorticité », ou plus précisément c’est un certain enroulement des murs qui va créer un champ de vorticité dans le filament, autrement dit les galaxies sont prises comme dans un tourbillon, un vortex, et le filament va avoir aussi tendance à les étirer en leur apportant de la matière, toujours du gaz, qu’elles accumulent, qu’elles accrètent, et c’est cette accrétion qui les étire. Un vortex fonctionne à la manière d’un aspirateur de matière, baryonique et noire, qui permet aux galaxies de se développer et d’aligner leur axe de rotation sur celui du filament, et les galaxies spirales tournent magnifiquement un peu comme des toupies.

Thomas Müller a prélevé un infime fragment de la toile cosmique, tel un tout petit morceau de saint suaire, et il en a enlevé méticuleusement tous les nœuds puis il a très légèrement effacé tout ce qui renvoyait à un volume, quoi qu’encore perceptible ce volume comme de fines traces de crayon à l’arrière-plan, pour analyser et révéler pleinement le réseau dense de filaments qui enserre les poches de vide.

Il y a une multitude d’échelles de filaments, c’est-à-dire que des petits filaments peuvent fusionner pour en faire des un peu moins petits, puis des moyens, et des moyens pour en faire des un peu moins moyens, et finalement arriver aux gros. C’est pareil pour les vides. Un grand vide est fait de plein de petits vides, un peu comme dans une baignoire si on y met du bain moussant, il y a des petites bulles de mousse de toutes tailles qui se collent ensemble pour faire une grosse bulle, et une bulle c’est un vide. En fait, ça se passe comme ça pour tout, les contenants, les nœuds en plus des vides et des filaments, et les contenus, les galaxies et leurs amas, et c’est comme ça dans tout l’Univers. Le Cosmos n’est pas un milieu tranquille. C’est gloutonnerie, copulation et cannibalisme à toutes les échelles !

Françoise Combes [6], cette grande anatomiste de l’Univers, le déclare sans ambages « L’Univers est fractal ». Elle veut signifier par-là que la structure de l’Univers est invariante à quelque échelle que ce soit, c’est-à-dire que si l’on considère une petite partie de la toile cosmique, ou une plus grosse, on voit toujours la même chose, des poches de vide, des murs enserrant ces vides, des filaments, qui se connectent immanquablement à des nœuds où se regroupent les galaxies, en un mot une toile d’araignée sous quelque angle et avec quelque degré de précision qu’on puisse l’observer, ou encore une grosse éponge, ou une mousse très épaisse. Les formes complexes approchées par la géométrie fractale, peuvent être soumises aux mêmes remarques que les formes géométriques « simples », celles décrites par la géométrie euclidienne, c’est-à-dire qu’elles ne sont pas absolument « pures » comme pourraient le donner à supposer les abstractions mathématiques. La Nature est bourrée de fractales, serait-on tenté de croire, emboîtement de poupées russes partout, pommes de pin, flocons de neige, cœur des marguerites, nuages dans le ciel, delta de certains fleuves, côtes déchirées de bien des régions du Monde, réseau capillaire, ramure des arbres, nervures des feuilles, partout…sauf que les fractales pures n’existent pas à l’état naturel. N’existent que des modèles fractals réalisés par les mathématiciens pour cerner puis décortiquer des structures complexes ponctionnées dans la « Nature », paraissant présenter, ou présentant, certaines répétitions, itérations, récurrences, autosimilarités. En ce sens, celui d’une approximation, la toile cosmique est bien fractale.

Un autre astrophysicien, John D. Barrow, a procédé à l’analyse mathématique des « drippings » de Jackson Pollock et il le déclare également sans ambages « Jackson Pollock avait une intuition de la nature des objets fractals longtemps avant que Benoît Mandelbrot n’attire l’attention sur ces objets mathématiques... Les objets fractals présentent le même schéma à toutes les échelles et l’œil n’est pas attiré par une échelle dominante particulière…Les œuvres de Pollock sont fractales à un haut niveau d’exactitude ». [7]

Donc pour en revenir aux galaxies ce ne sont pas de petites îles ou de petits univers qui dériveraient dans l’hyperespace mais des vaisseaux fermement pilotés par leurs géniteurs et pères nourriciers, les filaments, en direction des nœuds de la toile cosmique où elles vont fusionner avec d’autres si elles ne l’ont pas encore fait dans les filaments car, comme se plait à le dire et à le répéter Françoise Combes, l’une des meilleures connaisseuses de leur comportement complexe, les « galaxies sont grégaires ». En accrétant de la matière et en fusionnant les galaxies spirales, très largement majoritaires dans les filaments, vont devenir beaucoup plus massives et se transformer en galaxies elliptiques stériles. Le milieu intragalactique n’est pas non plus un milieu tranquille. Il s’y passe des choses extrêmement violentes. D’abord, il y a probablement au cœur de toutes les galaxies un trou noir hypermassif, noyau actif de l’ordre de quelques millions à quelques milliards de masses solaires [8], un glouton, beaucoup moins toutefois que les trous noirs stellaires pourtant bien moins massifs, qui parfois dégurgite de la matière et de l’énergie en de très longs jets, plusieurs milliers d’années-lumière, qui ensemencent l’espace. Des jets peuvent être émis par d’autres objets nés de l’effondrement d’étoiles massives, c’est-à-dire des étoiles qui ont épuisé leur carburant thermonucléaire et qui sont soumises uniquement à leur gravité, tels des étoiles à neutrons ou des trous noirs stellaires etc. Il y a des explosions d’étoiles, les supernovae, qui peuvent éclairer une galaxie entière pendant des jours et qui alimentent elles aussi l’espace en produits des synthèses qu’elles ont opérées. Enfin les évènements les plus violents peut-être, quoi que très brefs, sont les jets, appelés « sursauts de rayons gamma », sommets redoutables du spectre électromagnétique en raison de leur courte longueur d’ondes et donc de leur haute énergie, dont l’origine est encore débattue aujourd’hui parce que se produisant aléatoirement mais dont les acteurs probables seraient des étoiles à neutrons galactiques ou extragalactiques.

Thomas Müller avec son crayon à mine d’argent provoque d’énormes explosions et des jets de matière lumineuses rayant dans toutes les directions l’espace pictural qui jusqu’alors baignait dans le bleu sombre d’une encre indienne. Chaos et Beauté !

On l’a déjà dit, ou seulement laissé entendre, avant la fin de leur parcours dans les filaments, certaines spirales très dynamiques, mais ayant beaucoup grossies, vont fusionner avec d’autres et devenir elliptiques, mais encore alimentées elles peuvent reconstituer un disque, c’est-à-dire ce qui enveloppe le noyau actif et contient en majorité de vieilles étoiles, et redevenir spirales. Dans l’amas, le nœud de la toile, ce retour en arrière n’est plus possible car le gaz est chaud, alors qu’il est tiède dans le filament et même froid au cœur des galaxies ce qui permet la formation d’étoiles. Dans un amas on trouve aux alentours d’un millier de galaxies, principalement des elliptiques et très peu de spirales, ces dernières étant essentiellement sur les bords en continuant à faire des étoiles. Il y a aussi des galaxies lenticulaires qui représentent plus ou moins une phase intermédiaire entre les spirales et les elliptiques mais qui ne forment plus aucune étoile et qui ont perdu toute leurs étoiles anciennes.

La vie d’une galaxie n’est pas du tout tranquille dans un amas. Elle est harcelée par les autres galaxies comme par « un nuage de moustiques » dit Françoise Combes. Chacune d’entre elles va la chauffer et lui enlever un petit peu de masse, de matière si on préfère et on parle « d’épluchement » de la galaxie. Les galaxies étant proches il y a des effets de marée comme entre la lune et la terre. Les galaxies qui ont une densité inférieure à la densité moyenne de l’amas vont être littéralement évaporées. Les interactions de marée étirent le gaz qui sera balayé par la « pression dynamique » du gaz du amas chauffé par les chocs que reçoivent les galaxies, car le amas continu à être alimenté en gaz par les filaments auxquels il est connecté. Le amas lui-même, du fait de sa gravité, peut introduire des perturbations dans les filaments auxquelles sont surtout sensibles les petites galaxies. Interconnectivité ! Les halos de matière noire de ces galaxies évaporées qui sont peu denses rentrent dans le pot commun du amas tandis que leurs étoiles faites de matière baryonique très dense vont acquérir leur indépendance à l’intérieur du amas. Il y en a presque autant de ces étoiles entre les galaxies que dans les galaxies elles-mêmes.

Il y a encore tout un bestiaire à l’intérieur des filaments ou autour des amas qu’on ne développera pas ici, groupes de galaxies beaucoup plus petits que des amas, amas stellaires dits globulaires très brillants et sans matière noire, galaxies naines également très brillantes et qui sont les nombreux satellites des grosses galaxies...
La matière ordinaire, la matière visible ou matière baryonique [9], représente un tout petit peu moins de 5% des composants de l’Univers, alors que la matière noire, celle qu’on ne voit pas car n’interagissant pas avec la lumière, les photons, en représente un tout petit peu plus de 25%, et que l’énergie noire juste un petit peu moins de 70%. Autrement dit, non seulement on ne voit pas 95% des composants de l’Univers mais on ne sait pas de quoi ils sont faits, les particules élémentaires de la matière noire, ni quelle est la nature exacte, l’origine, de l’énergie noire. Ce qu’on connait ce sont leurs effets.
L’énergie noire est « responsable » de l’expansion de l’Univers qui est constatée par l’éloignement des galaxies les unes des autres, le fameux décalage vers le rouge de l’effet doppler-Fizeau ou « redshift », à moins qu’elles n’appartiennent à un amas ou à un groupe qui, eux, se sont découplés de son action. Cette expansion s’est même accélérée il y a environ sept milliards d’années comme ont pu le constater les astrophysiciens en empruntant leurs machines à remonter le temps. Sous peu, dans quelques milliards d’années, l’énergie noire représentera pratiquement 100% des composants d’un univers très refroidi et où la matière sera complètement diluée.

La matière noire, elle, donne sa cohésion aux galaxies, ainsi qu’à leurs amas qui sont enveloppés et pénétrés par elle, et elle assure la stabilité de leurs rotations sinon les bras spiraux se démantèleraient et les étoiles qu’ils contiennent s’éparpilleraient. Pour avoir une idée de la masse de la matière noire, les astrophysiciens prennent dans la ligne de visée de leurs télescopes de gros objets tels des amas de galaxies. La masse de l’amas, comme toutes les masses, déforment l’espace-temps, mais la déformation constatée est plus importante, et de beaucoup, que celle qui pourrait être due au seul amas. C’est la masse de la matière noire qui entre en jeu. La déformation de l’espace-temps permet de voir les objets, des galaxies par exemple, situés derrière l’amas et souvent très éloignés. On appelle cette loupe cosmique une « lentille gravitationnelle » puisqu’elle utilise la gravité pour voir ce qui est caché.

La matière noire et l’énergie noire, deux des « idées noires de la physique » ! [10]

Pour finir, la seconde icone des astrophysiciens : La distribution des galaxies dans l’Univers.
Les galaxies rouges et violettes sont les plus lointaines et les oranges sont les plus proches. La barre rouge au centre et en avant-plan correspond à la poussière de la Voie lactée, notre galaxie.